CN204068723U - 一种三相电压暂降发生装置 - Google Patents

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欧阳森
黄力鹏
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Abstract

本实用新型一种三相电压暂降发生装置,包括主电路模块、信号变换电路和输出滤波电路;主电路模块包括三相不控整流桥、直流母线电容、三相逆变桥、核心控制电路以及驱动电路;三相电网电压输入到三相不控整流桥,三相不控整流桥通过直流母线电容与三相逆变桥连接,其中直流母线电容并接在三相不控整流桥的直流侧;三相逆变器的三相输出电路上均设置有输出滤波电路和信号变换电路;核心控制电路包括FPGA模块以及与FPGA模块连接的第一DSP模块和第二DSP模块,其中信号变换电路与FPGA模块连接,FPGA模块通过驱动电路连接三相逆变桥,控制三相逆变器的输出电压。本实用新型具有结构简单、成本低以及精确性高等优点。

Description

一种三相电压暂降发生装置
技术领域
本实用新型属于电能质量及电力电子技术领域,涉及一种三相电压暂降发生装置,主要用于用电设备电压暂降敏感度的测试。
背景技术
随着经济的发展,大量非线性、冲击负荷的使用,导致电网中的电能质量问题日益严重。尤其是电压暂降对各种以计算机、可编程控制器、嵌入式处理器为核心的精密用电设备的运行产生了极大的影响。电源电压暂降或畸变,会给半导体制造、信息、计算机或电子通信等行业带来巨大的经济损失。据统计,美国因为电能质量问题所带来的损失一年超过500亿美元。因此,电能质量问题尤其是电压暂降问题引起了国内外学者的广泛关注。国际电气与电子工程师协会和国际电工委员会权威机构相继制定了电压暂降相关国际标准:国际电工委员会电磁兼容(EMC)标准工EC61000电磁环境部分(即:IEC61000-2-8)描述了电压暂降、短时中断等电磁干扰现象,讨论了供电系统电压暂降、短时中断现象对接入系统的电气设备的影响;并制定了电气和电子设备的电压暂降、短时中断以及电压变化抗扰度等级抗扰度试验和测量方法(即:IEC61000-4-11:2004)。我国现行的电气设备电压暂降、短时中断和电压变化抗扰度等级、抗扰度试验和测量方法的标准为GB-17626.11-2008,等同采用IEC61000-4-11:2004。
目前,已有学者开始研究精密用电设备、敏感照明灯具以及交流接触器、低压脱扣器等受电压暂降的影响,研究手段主要为基于理论分析的实验研究。因此,为了有针对性的进行实验,急需研制符合国家标准的可产生各种电压信号的设备,用以测试待测设备对电压质量的抗扰特性。但目前能够模拟产生各种电压信号的大功率发生装置还不完善,其控制器普遍采用单片机、单数字信号处理器(DSP)等架构,如要同时兼顾运算、输出控制、故障检测、人机交互等功能要求,必然导致控制周期延长和控制精度降低,因而现有设备普遍存在结构笨重、功能单一、精度差、输出功率小、缺乏智能化和通用性不够等缺点。所以研制一台主电路结构简单、运行实时高效的大功率、高精度以及低成本的多功能智能化新型电压暂降发生设备有重要意义。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点与不足,提供一种结构简单、成本低以及精确性高的三相电压暂降发生装置。
本实用新型的目的通过下述技术方案实现:一种三相电压暂降发生装置,包括主电路模块、信号变换电路和输出滤波电路;所述主电路模块包括三相不控整流桥、直流母线电容、三相逆变桥、核心控制电路以及驱动电路;三相电网电压输入到三相不控整流桥,三相不控整流桥通过直流母线电容与三相逆变桥连接,其中直流母线电容并接在三相不控整流桥的直流侧;三相逆变器的三相输出电路上均设置有输出滤波电路和信号变换电路;核心控制电路包括FPGA模块以及与FPGA模块连接的第一DSP模块和第二DSP模块,其中信号变换电路与FPGA模块连接,所述FPGA模块通过驱动电路连接三相逆变桥,控制三相逆变器的输出电压。
优选的,所述信号变换电路依次通过信号调理电路和模数转换电路连接FPGA模块。
优选的,所述信号变换电路包括电压变换电路和电流变换电路,电压变换电路包括三个电压互感器,其中三相逆变桥每两相输出电路之间分别连接有电压互感器;电流变换电路包括六个电流互感器;其中三相逆变桥三相输出电路的每相输出电路中输出滤波电路前后分别设置有电流互感器。
优选的,所述直流母线电容的两端连接有直流电压检测电路,所述直流电压检测电路依次通过信号调理电路和模数转换电路连接FPGA模块。
优选的,主电路模块的三相不控整流桥输入端连接有断路器,所述断路器与核心控制电路FPGA模块连接,三相电网电压通过断路器后传送到三相不控整流桥中。
优选的,所述FPGA模块上还连接有故障检测电路。
优选的,所述第一DSP模块通过通信电路连接人机交互装置。
优选的,所述输出滤波电路包括依次连接在三相逆变桥每相输出电路中的滤波电感和输出滤波器。
优选的,所述三相逆变桥中的功率器件采用全控型功率开关绝缘栅双极型晶体管。
优选的,所述FPGA模块为XC2S200-5PQG208C芯片;所述第一DSP模块和第二DSP模块为TMS320F2812芯片。
本实用新型相对于现有技术具有如下的优点及效果:
(1)本实用新型三相电压暂降发生装置采用模块化的设计,具有组成结构简单、成本低以及布局更加紧凑的优点,并且实现了设备的小型化、安装的灵活化和方便化。
(2)本实用新型三相电压暂降发生装置采用双数字信号处理器和现场可编程逻辑门阵列架构的三核处理系统:一个数字信号处理器单独进行输出控制,芯片资源完全用于电压的输出控制,满足控制的实时性、精确性和稳定性的要求;另一数字信号处理器单独处理数据输入、数据显示等人机交互功能,操作时响应速度快,不影响输出控制;现场可编程逻辑门阵列FPGA模块作为系统核心控制器件,充分利用其强大的逻辑处及并行处理能力,可大量减少外围逻辑比较电路,增强系统设计的灵活性;同时提高系统对故障的响应速度,最大限度地减少故障对系统造成的影响。
(3)本实用新型三相电压暂降发生装置通过FPGA模块采用SPWM控制方式控制三相逆变器输出幅值、相位可控的三相交流电压,能够模拟输出正常运行、暂降(升)幅值、暂降(升)起始相位以及暂降(升)持续时间都可调的三相同时暂降(升)或只有一相暂降(升)的电压波形。
(4)本实用新型将与第一DSP模块连接的触摸屏作为人机交互装置,操作人员可通过触摸屏输入电压的暂降幅值、暂降起始相位以及暂降持续时间,同时触摸屏实时显示系统的输出电压电流、故障状态、运行模式等信息。并且触控系统界面友好,操作简便。
(5)本实用新型三相电压暂降发生装置还设置有与FPGA模块连接的故障检测电路,故障检测电路对三相逆变桥输出的电压电流以及直流侧电压进行实时检测,一旦三相逆变桥出现某相过流、直流侧电压欠压或过压的情况,故障检测电路将立即把相应的电平信号传给FPGA模块,FPGA模块将瞬时发出封锁信号,封锁驱动电路的输出。
附图说明
图1是本实用新型三相电压暂降发生装置结构组框图。
图2是本实用新型三相电压暂降发生装置中主电路模块的结构组成框图。
图3是本实用新型三相电压暂降发生装置中核心控制电路的结构组成框图。
图4是本实用新型三相电压暂降发生装置同时暂降电压波形图。
图5是本实用新型三相电压暂降发生装置只有一相暂降电压波形图。
图6是本实用新型三相电压暂降发生装置三相同时暂升电压波形图。
图7是本实用新型三相电压暂降发生装置只有一相暂升电压波形图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述,但本实用新型的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示,本实施例公开了一种三相电压暂降发生装置,包括断路器2、主电路模块3、信号变换电路和输出滤波电路;三相电网电压1通过断路器2后传送到主电路模块3中,主电路模块3的三相输出电路连接至负载,其中信号变换电路和输出滤波电路均设置在主电路模块3的每相输出电路上;并且信号变换电路与主电路模块3连接,将变换后的电压电流信号传送给主电路模块3。另外本实施例中的断路器2与主电路模块3连接,通过主电路模块3控制其工作状态。
本实施例中的信号变换电路包括电压变换电路和电流变换电路,其中电压变换电路包括三个电压互感器8,其中主电路控制模块每两相输出电路之间分别连接有电压互感器8,通过电压互感器8检测每两相输出电路之间的电压,并且反馈到主电路模块3中;电流变换电路包括六个电流互感器7;主电路控制模块输出电路每相输出电路中输出滤波电路前后分别设置有电流互感器7,其中输出滤波电路包括滤波电感4和输出滤波器5。
如图2所示,本实施例中主电路模块包括三相不控整流桥10、直流母线电容11、三相逆变桥12、核心控制电路13以及驱动电路18;三相电网电压输入到三相不控整流桥10,三相不控整流桥10通过直流母线电容11与三相逆变桥12连接,三相不控整流桥10与三相逆变器12之间采用“背靠背”方式连接,其中直流母线电容11并联在三相不控整流桥的直流侧,为三相逆变桥12建立稳定的直流侧电压,直流母线电容11两端连接有与核心控制电路13连接的直流电压检测电路14,对三相逆变器12直流侧电压进行检测。本实施例中三相逆变器12的三相输出电路即为如图1所示的主电路模块3的三相输出电路。三相逆变桥12的功率器件采用全控型功率开关IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极型晶体管),IGBT是由BJT(双极型三极管)和MOSFET(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOSFET的低驱动功率、高开关速度和GTR的低导通压降两方面的优点。
如图3所示,本实施例的核心控制电路13包括FPGA模块20以及与FPGA模块20连接的第一DSP模块21和第二DSP模块22;FPGA模块20通过驱动电路18连接三相逆变桥13,通过FPGA模块20产生的SPWM电平控制三相逆变器13输出电压;设置在三相逆变桥12三相输出电路中的电流互感器7以及电压互感器8均通过信号调理模块15和模数转换电路16与FPGA模块连接,直流母线电容11两端连接的直流电压检测电路14通过信号调理电路15和模数转换电路16连接FPGA模块20,FPGA模块20通过该直流电压检测电路14获知三相逆变器12直流侧的电压。核心控制电路13中的第一DSP模块21通过通信电路19连接人机交互装置,其中该人机交互装置为触摸屏9,触摸屏9用于电压暂降参数的输入和输出电压电流数据的显示。在本实施例中第一DSP模块21和第二DSP模块22均采用TI公司的TMS320F2812型号芯片,FPGA模块20采用XILINX公司的XC2S200-5PQG208C型号芯片,模数转换电路16采用AD公司的ADS8364型号芯片。
本实施例核心控制电路13的FPGA模块20还连接有故障检测电路17。故障检测电路17对三相逆变桥12输出的电压电流以及直流侧电压进行实时检测,一旦三相逆变桥12出现某相过流、直流侧电压欠压或过压的情况,故障检测电路17将立即把相应的电平信号传给FPGA模块20,FPGA模块20将瞬时发出封锁信号,封锁驱动电路18的输出。
本实施例中FPGA模块控制两个DSP模块和模数转换芯片的协同工作,主要具有以下功能:一是控制模数转换电路16,对电压互感器8、电流互感器7、直流电压检测电路变换的电压电流信号进行模数转换并读取结果,同时把结果传送给第一DSP模块21和第二DSP模块22;二是作为第一DSP模块21和第二DSP模块之间的数据交换通道;三是三相逆变器IGBT驱动信号输出;四是进行全系统故障检测及IO控制输出。本实施例中第一DSP模块21主要负责与人机交互装置通讯及数据管理,读取FPGA模块20中的电压电流数据和故障状态等信息并通过触摸屏9显示,以及传送触摸屏9发送中的命令到FPGA模块20中,操作人员可以通过触摸屏9输入电压暂降参数到第一DSP模块21,然后通过第一DSP模块21将相应电压暂降参数传送到FPGA模块20中。第二DSP模块主要负责控制电压波形的稳定精确输出。
在本实施例中,电流互感器7和电压互感器8对三相逆变桥12输出的三相电压和电流进行变换,信号调理模块17对电流互感器7和电压互感器8变换后的电压电流信号进行滤波、限幅等处理后传送给模数转换电路16;同时直流电压检测电路14对三相逆变器12的直流侧电压进行变换,信号调理模块17对直流电压检测电路14变换后的电压信号进行滤波、限幅等处理后传送给模数转换电路16,FPGA模块20控制模数转换电路16以25.6kHz的频率进行定时采样以及模数转换,并且读取模数转换结果。FPGA模块20以12.8kHz的频率控制第一DSP模块21的工作,在每个工作周期中,第一DSP模块从通信电路19读取通过触摸屏9输入的数据,并且传送给FPGA模块,第一DSP模块21还从FPGA芯片20中读取模数转换结果、故障状态、断路器工作状态等数据,并且通过通信电路19写进触摸屏9,供直接观察。另外FPGA模块20以25.6kHz的频率控制第二DSP模块22工作,在每个工作周期中,第二DSP模块22从FPGA模块20中读取模数转换结果与触摸屏9的输入数据,根据输入数据和电压电流数据执行相应的电压暂降模式及电压控制算法以得到输出电压的参考值,其中本实施例FPGA模块20所执行的电压控制算法可以采用双闭环控制算法,电压暂降模式为对三相中的其中一相或几相电压进行暂降等处理;FPGA模块20将第二DSP模块22输入的输出电压参考值与自身产生的12.8kHz三角载波进行比较,并且将比较所得SPWM(正弦脉宽调制,Sinusoidal PWM)电平信号作为三相逆变桥12中IGBT的动作信号传送给驱动电路18,经驱动电路18放大后控制三相逆变桥12中的IGBT开通或关断,从而产生稳定的指定电压波形。其中如图4至7所示为通过本实施例三相电压暂降发生装置获取到的不同的暂降波形图。如图4所示为三相电压同时暂降波形图,暂降幅度为35%,持续时间为0.1s;图5所示为A相电压暂降波形图,暂降幅度为35%,持续时间为0.1s;图6所示为三相电压同时暂升波形图,暂升幅度为20%,持续时间为0.1s;图7所示为A相电压暂升波形图,暂升幅度为20%,持续时间为0.1s。
上述实施例为本实用新型较佳的实施方式,但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种三相电压暂降发生装置,其特征在于,包括主电路模块、信号变换电路和输出滤波电路;所述主电路模块包括三相不控整流桥、直流母线电容、三相逆变桥、核心控制电路以及驱动电路;三相电网电压输入到三相不控整流桥,三相不控整流桥通过直流母线电容与三相逆变桥连接,其中直流母线电容并接在三相不控整流桥的直流侧;三相逆变器的三相输出电路上均设置有输出滤波电路和信号变换电路;核心控制电路包括FPGA模块以及与FPGA模块连接的第一DSP模块和第二DSP模块,其中信号变换电路与FPGA模块连接,所述FPGA模块通过驱动电路连接三相逆变桥,控制三相逆变器的输出电压。
2.根据权利要求1所述的三相电压暂降发生装置,其特征在于,所述信号变换电路依次通过信号调理电路和模数转换电路连接FPGA模块。
3.根据权利要求1所述的三相电压暂降发生装置,其特征在于,所述信号变换电路包括电压变换电路和电流变换电路,电压变换电路包括三个电压互感器,其中三相逆变桥每两相输出电路之间分别连接有电压互感器;电流变换电路包括六个电流互感器;其中三相逆变桥三相输出电路的每相输出电路中输出滤波电路前后分别设置有电流互感器。
4.根据权利要求1所述的三相电压暂降发生装置,其特征在于,所述直流母线电容的两端连接有直流电压检测电路,所述直流电压检测电路依次通过信号调理电路和模数转换电路连接FPGA模块。
5.根据权利要求1所述的三相电压暂降发生装置,其特征在于,主电路模块的三相不控整流桥输入端连接有断路器,所述断路器与核心控制电路FPGA模块连接,三相电网电压通过断路器后传送到三相不控整流桥中。
6.根据权利要求1所述的三相电压暂降发生装置,其特征在于,所述FPGA模块上还连接有故障检测电路。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的三相电压暂降发生装置,其特征在于,所述第一DSP模块通过通信电路连接人机交互装置。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的三相电压暂降发生装置,其特征在于,所述输出滤波电路包括依次连接在三相逆变桥每相输出电路中的滤波电感和输出滤波器。
9.根据权利要求1至6中任一项所述的三相电压暂降发生装置,其特征在于,所述三相逆变桥中的功率器件采用全控型功率开关绝缘栅双极型晶体管。
10.根据权利要求1至6中任一项所述的三相电压暂降发生装置,其特征在于,所述FPGA模块为XC2S200-5PQG208C芯片;所述第一DSP模块和第二DSP模块为TMS320F2812芯片。
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